《santana轿车前悬架弹性运动学特性的adams建模与仿真设计毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《santana轿车前悬架弹性运动学特性的adams建模与仿真设计毕业论文（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、硕 士 学 位 论 文Santana 轿车前悬架弹性运动学特性的 ADAMS 建模与仿真Elasto-kinetic Modeling and Simulating of Santana Front Suspension with ADAMS提要本文探索了用 ADAMS/CAR Template Builder 进行悬架建模的方法介 绍了衬套缓冲块等元件的原理和使用方法用该软件对 Santana 轿车前悬 架建立多种模型进行了平行轮跳试验和静态加载试验将车轮定位参数仿 真结果与实车试验进行了比较与传统的刚性约束模型相比衬套的使用改 善了仿真结果与试验结果的一致性而包含缓冲块的模型结果更好因此传
2、 统上经常忽略的缓冲块实际上对考虑柔性约束的悬架系统有相当大的影响 在有左右不对称因素如侧向力作用时转向系等效刚度对悬架特性参数也 有较大的影响仿真结果能够反映与实车试验相同的变化趋势柔性模型比 刚性模型效果好但仍有一定误差尤其是侧向力试验综合考虑轮胎变形 和转向系统变形才能得到更好的结果 应用以上模型本文还研究了应用非实时的多体动力学建模方法来获得 基于侧倾中心的实时建模方法所需的各种非线性系数的方法并绘制了它们 的变化场图第一章 绪论1.1 有关汽车动力学仿真和悬架运动学/弹性运动学的国内外研究现状悬架是现代汽车上的重要总成之一它把车架或车身与车轴或车 轮弹性的连接起来其主要任务是传递作用
3、在车轮与车架或车身之间 的一切力和力矩规定车轴或车轮与车架或车身之间的相对运动 并且缓和由不平路面传给车架或车身的冲击载荷衰减由此引起的承载 系统的振动以保证汽车平顺的行驶汽车悬架的设计的好坏直接影响 到操纵稳定性 12 制动安全性乘坐舒适性和动力加速性等 汽车动力学性能的优劣 3456对轮胎的磨损和使用寿命 也有一定的影响 由于悬架的重要作用国内外众多的学者和研究人员提出了 许多方法并建立了大量数学模型用来仿真悬架的运动学和动 力学特性目前在汽车悬架建模理论中最为典型的是基于侧 倾中心或力矩中心的建模方法 278 和基于多体动力学的建 模方法 910 基于侧倾中心或力矩中心的建模方法其主要思
4、路是由试验 测定整车的侧倾中心通过做实车实验确定悬架机构对车身的 六种作用力及悬架变形从而确定这二者之间非线性系数的数据 库再将之用于整车动力学仿真分析悬架系统对整车动力学的 影响 11 作用于车身的六种作用力分别为弹簧力阻尼力 附 加侧倾刚度力抗俯仰力抗侧倾力和举升力 12131415 弹簧力与阻尼力是由于汽车悬 架减振器运动产生的其弹性系数 和阻尼系数都是非线性函数附加侧倾刚度力是由于车身相对于 路面侧倾时前后悬架安装的横向稳定杆的扭转效应产生的其 前后悬架附加侧倾刚度系数也是非线性的抗俯仰力和抗侧倾 力是当车轮受到驱动或制动力 矩以及侧向力作用时由于悬架导 向机构的布置而产生的其抗俯仰效
5、应系数和抗侧倾效应系数也 是非线性的举升力是当车轮受到驱动或制动力以及侧向力作用 时车轮产生举升效应引起的其举升力系数也是非线性的 这种理论实际上是对悬架作了大量的简化较少考虑悬架各 构件的具体结构和尺寸而是从悬架整体上从车轮与车身的相互 作用效果的角度进行研究它最大的优点就是所建立的模型计算 速度快具有良好的实时性能够满足要求实时仿真的情况尤 其是有驾驶员作用的整车驾驶 模拟器对实时性的要求所以得到 了广泛的应用当然这种分析方法也存在有很大的弊端1 这些非线性系数的测定与确定非常不方便并且由于以上数据的 测量是在悬架系统静态下得到的没有考虑到在实际驾驶情况下 整车的运动也会对悬架系统产生影响
6、因而造成得到的这些数据 库非常不可靠2 由于这种方法建立的模型做了大量的简化 而且不直接面对具体结构参数使模型对悬架的具体尺寸弹性 件的弹性特性等参数的分析很不方便对于准确的计算动态下的 悬架特性参数也不方便3 这种方法建立的悬架模型不适用于 大位移运动的汽车动力学仿真 应用多体系统动力学方法对悬架系统建立动力学模型发展到 目前已比较成熟它包括两种方法一种是多刚体系统动力学理 论 16 另一种是多柔体系统动力学理论 10 在对悬架系统进 行实际建模分析过程中对刚体特点明显的构件应用多刚体系统 动力学理论建立模型对柔性特点明显的构件应用多柔体系统动 力学理论建立模型而对刚性和柔性这两者特征都有但
7、都不很明 显的构件往往是这两种方法联合应用对其建立模型 1718 多体系统动力学方法的优点是 能够直接面向具体的结构针对不 同的杆件和弹性元件建立高度接近实际结构的模型可以方便 的对不同尺寸参数弹性元件特性甚至柔性体进行分析与比较 但这种理论有一个致命的缺点就是多体动力学模型在计算过程 中需要求解大量的微分方程组或微分代数混合方程组很难达 到实时性的要求在有大量刚体的整车建模和考虑柔性体的柔体 建模中实时性更是极端的恶化 目前应用多刚体系统动力学理论对悬架系统进行建模与分 析已经形成了比较系统的研究方法一般有以下方法经典力 学方法 以牛顿 欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日 方程为代表的
8、分析力学方法 图论 RW 方法凯 恩方法变 分方法 1921 应用这几种方法建立悬 架模块 或整车模型的主 要特点如下 (1)牛顿欧拉法 对作为隔离体的单个刚体列写牛顿欧拉方程时铰约束力 的出现使未知变量的数目明显增加直接采用牛顿欧拉方法时 必须加以发展制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束 尔 形式的程式化方法并致力于自动消除铰的约束能力德国学者 Schiehlen 在这方面做了大量工作 其特点是在列写出系统的牛顿 欧拉方程后将不独立的笛卡儿广义坐标变换成独立变量对 完整约束系统用 dAlembert 原理消除约束反力对非完整约束 系统用 Jourdain 原理消除约束反力最后得到与系统
9、自由度数目 相 同 的 动 力 学 方 程希 林 等 人 编 制 了 符 号 推 导 的 计 算 机 程 序 NEWEUL (2)拉格朗日方程法 由于多刚体系统的复杂性在建立系统的动力学方程时采 用系统的独立的拉格朗日坐标将十分困难而采用不独立的笛卡 儿广义坐标比较方便对于具有多余坐标的完整或非完整约束系 统用带乘子的拉氏方程处理是十分规格化的方法导出的以笛 卡儿广义坐标为变量的动力学 方程是与广义坐标数目相同的带乘 子的微分方程还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭 Chace 等人应用吉 Gear 的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术 提高计算效率编制了 ADAMS 程序 22Haug 等人
10、研究了广义坐 标分类奇异值分解等算法编制了 DADS 程序 23 (3)图论 RW 方法 RE Roberson 和 J. Wittenburg 创造性的将图论引入多刚 体系统动力学利用其中的一些基本概念和数学工具成功地描述 了系统内各刚体之间的联体状况即系统的结构对于非树系统 则必须利用铰切割或刚体分割 方法转变成树系统处理R W 方法 以相邻刚体之间的相对位移作广义坐标对复杂的树结构动力学 关系给出了统一的数学模式并据此推导了系统的运动微分方程 相应的程序有 MESA VERDE (4)凯恩方法 R W 方 法 提 出 了 解 决 多 刚 体 系 统 动 力 学 统 一 公 式而凯恩方 法
11、提供 了分析复杂机械系统动 力学性能的统一公式但没有给出 一个适 合于任意形式多刚体系统的动力学方程其广义速度的选 择也需要一定的经验和技巧这是它的缺点但这种方法不用动 力学函数无需求导计算只需进行矢量点积叉积等计算节 省时间 (5)变分方法 在经典力学中变分原理只是对力学规律的概括而在计算 技术飞速发展的今天变分方法已成为可以不必建立动力学方程 而借助于数值计算直接寻求运动规律的有效方法变分方法主要 用于工业机器人动力学有利于结合控制系统的优化进行综合分 析对于变步态系统可以避免其它方法每次需重建微分方程的 缺点 对于以上几种研究方法虽然风格迥然不同但共同目标是 要实现一种高度程式化适于编制
12、计算程序的动力学方程建模方 法多刚体系统动力学各种方法的数学 模型可归纳为纯微分代数 方程组和微分代数混合方程组两种类型对于数学模型的数值 计算方法也有两种即直接数值方法和符号数值方法 多柔体系统不同于多刚体系统它含有柔性部件变形不可 忽视其逆运动学是不确定的它与结构力学不同部件在自身 变形运动同时 在空间中经历着大的刚性移动和转动刚性运动 和变形运动相互影响强烈耦合与一般系统不同它是一个时 变高度耦合高度非线性的复杂系统 10 应用柔性多体系统动力学理论建模主要有以下三类方法 (1)牛顿欧拉法 这种方法对于半柔体系统比较合适特别是当系统中有一个 刚性主体的情况但这种方法只在简单链系统下是可取
13、的比较 典型的是 Hooker 和 Singh 的推导 2425 (2)虚位移方法 从虚位移或虚速度原理出发演变出拉格朗日第一类方程或 进一步根据变分原理建立拉格朗日第二类方程的形式 (3)上述二种方法的各种变形方法 这种方法大部分是虚位移方法的变形 如有影响的 Kane 方法 此外在多刚体和多柔体力学的应用过程中随着对汽车安 全性和舒适性的要求越来越高为了减少振动和缓和冲击以及 承载不同方向上的力越来越多的橡胶元件被应用这些元件的 表 1.1 著名的多体系统动力学分析软件及其主要特点 软件名程序语言主要作者特点说明应用对象NEWEUL FORTRANSchielen大/小位移多 体系统 动参
14、 考系 笛卡儿 /拉格朗日坐 标交互式数据 输入 闭环系 统 非完整约 束符号/数 字方程机器动力学车辆动力学MESA VERDE PASCALWittenbug大位移多体 系统 关联矩 阵 拉格朗日 坐标闭环系统非完整约束 符号方程机构动力学卫星动力学 车辆动力学机器人动力 学SDEXACT PASCALRosenthat大位移多体 系统 相对坐 标树 系 统FORTRAN 形式 的符号方程机器人动力 学航天器动力 学NUBEMM FORTRANPankevish小位移多体 系统 动参考 系 拉格朗日 坐标交互式数据 输入 带符号 力系数的数 字方程车辆动力学ADAMS FORTRAN CC
15、hace大位移多体 系统 闭环系 统 笛卡儿坐 标交互式数据 输入 碰撞变 形物体机器动力学车辆动力学MEDYNA FORTRANWallrapp小位移多体 系统 动参考 系闭环系 统 拉格朗日 坐标交互式数据 输入和程序 控制 非线性 力变形物 体 前后处理 程序车辆动力学机器动力学DADS FORTRAN CHaug大位移多体 系统 笛卡儿 坐标交互式输入 输入 变形物 体机器动力学车辆动力学弹性 柔性 特点十分明显其变形不能忽略 但他们大多结构 复杂 力学特性也较复杂不适合用多柔体 系统动力学来计算 因此许多理论和软件将这种柔性元件处于连接作用时看成是 力的连接即弹簧阻尼系统如 ADAMS 软件中的衬套和线性衬套 就是表达这种六个方向力的柔性连接的元件还有人将这些柔性 连接简化成在三个垂直方向的弹簧也取得了不错的效果 62 随着多体系统动力学理论的发展与成熟机械系统运动学 动力学软件也得到了迅速发展表 1.1 列出了国外一些著名的多 体系统动力学分析软件及其主要特点 2627 从上可以看出国外在工程界 特别是汽车工程领域 在多体 系统动力学方面的研究已比较广泛和深入我国在这方面的研究 虽然起步较晚但发展很快并且在汽车工程领域也出了不少成 果1986 年吉林工业大学的温吾凡等人利用多 刚体系统动力学 方法对二维
